李俊，冀科峰，公超，聶成才

(1.山東省建筑科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南250031；2.濟(jì)南中建建筑設(shè)計院有限公司，山東 濟(jì)南250101；3.山東省建設(shè)建工(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250014)

0 引言

預(yù)制裝配式外墻用纖維增強復(fù)合桿是以高性能纖維為增強材料，以合成樹脂為基體材料，加入適量助劑，經(jīng)一定的成型工藝和表面處理形成的一種新型增強連接材料，具有抗拉強度高(高于預(yù)應(yīng)力鋼筋)、自重輕(只有預(yù)應(yīng)力鋼筋的15%～20%)、抗腐蝕和對電磁場不敏感等優(yōu)點，在裝配式建筑中得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。拉伸性能是預(yù)制裝配式外墻用纖維增強桿的主要性能。纖維增強復(fù)合桿是非均質(zhì)各向異性材料，其軸向拉伸強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向抗壓強度，按照現(xiàn)有的纖維增強材料拉伸性能試驗方法如GB/T 1447—2005《纖維增強材料拉伸性能試驗方法》、GB/T 13096—2008《拉擠玻璃纖維增強塑料桿力學(xué)性能試驗方法》等方法進(jìn)行試驗，易出現(xiàn)以下問題:(1)夾具夾持力不足，桿件易從夾具中滑移拉脫；(2)夾具夾持力太大，試件夾持端根部產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，出現(xiàn)明顯的端頭效應(yīng)，桿件標(biāo)距部分在拉伸斷裂破壞前，夾持部分可能被夾具擠壓碎；(3)將桿件加工成啞鈴形、長方形等薄片形狀或小直徑試件進(jìn)行拉伸試驗，加工過程中難免對纖維會有損傷，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)偏低或偏高、離散性大，不能真實的反映產(chǎn)品性能，嚴(yán)重影響對產(chǎn)品性能的判定，一定程度上限制了裝配式建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[5-7]。

拉伸性能除了受材料本身的力學(xué)性能影響外，還受尺寸效應(yīng)的顯著影響，表現(xiàn)為當(dāng)纖維含量、纖維種類、樹脂性能等材性參數(shù)不變的情況下，桿件的拉伸強度會隨著桿件尺寸的增大而減小[8]。周繼凱等[8]、劉漢東等[9]分別研究了玻璃纖維增強塑料GFRP(Glass-Fiber-Reinforced Plastic)筋材力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)，用最弱鏈理論分析得出影響GFRP筋材尺寸效應(yīng)的主要因素是試件的有效區(qū)面積，并建立了不同直徑下的GFRP筋材的抗拉強度的公式，但只是一種間接近似的方法。楊振茂等[10]使用夾持柄、外套筒和內(nèi)錐套3件組合的夾持方法，其仍會直接夾持在試樣上，對試樣造成破壞；田華等[11]提出了一種改進(jìn)的玻璃纖維錨桿拉伸試驗?zāi)Ｐ?，采用?nèi)壁經(jīng)開槽處理的外套筒填充水泥砂漿或環(huán)氧樹脂錨固劑，試驗成功率約90%。

為了克服上述不足，文章對3組不同廠家生產(chǎn)的纖維增強桿件樣品進(jìn)行了拉伸試驗研究。試驗中不改變桿件的外形尺寸，截取一定長度、外徑及壁厚的鋼套管，用適當(dāng)配合比和拌合工藝制成的具有高抗壓強度和高粘結(jié)強度的環(huán)氧樹脂砂漿對桿件兩端夾持部分進(jìn)行灌漿錨固制作成拉伸試件，改進(jìn)試驗夾具，保證在試件的標(biāo)距內(nèi)發(fā)生拉伸斷裂破壞，避免了拉伸斷裂前夾具夾持部分的拉脫滑移和應(yīng)力集中；參照J(rèn)G/T 406—2013《土木工程用玻璃纖維筋》規(guī)范，采用排水法[12]測定桿件的初始橫截面積，設(shè)置拉伸速度自動提示切換的試驗方案，并分析了3組樣品共計15個試件的試驗現(xiàn)象和試驗結(jié)果，驗證拉伸強度和拉伸彈性模量檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為裝配式建筑工程設(shè)計和驗收提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及試件制作

1.1.1 試驗材料及配比

環(huán)氧樹脂砂漿是用環(huán)氧樹脂作為粘合劑，加入填料、增塑劑、固化劑及稀釋劑等，按一定比例配制而成的粘結(jié)砂漿，其具有優(yōu)異的力學(xué)性能、粘結(jié)性能和耐疲勞性能并且固化速度較快，因而已廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷修補、加固處理以及動荷載狀態(tài)下的基板灌漿等領(lǐng)域[13]。

為避免拉伸斷裂前夾具夾持部分的拉脫滑移，鋼管、砂漿及桿件三者之間不會產(chǎn)生相對位移，因此試驗中的環(huán)氧樹脂砂漿應(yīng)具有以下性能:(1)具有一定的流動性，以易于向一定直徑的鋼管中灌漿，保證密實性；(2)具有較高的粘結(jié)力，使鋼管、砂漿及試件三者之間不會產(chǎn)生相對位移；(3)具有較高的抗壓強度，以承受試驗機夾具的夾持力；(4)具有一定的固化速度，24 h內(nèi)達(dá)到試驗所需的抗壓強度和粘結(jié)強度。

參考文獻(xiàn)[14-15]，結(jié)合實際應(yīng)用，經(jīng)過多次試驗篩選，選用6101＃環(huán)氧樹脂作粘合劑，無水、含量≥98%的乙二胺作固化劑，工業(yè)用鄰苯二甲酸二丁酯做增韌劑，P.O 42.5R水泥及粒徑為0.2～5.0 mm(或過5 mm篩)的河砂作填料，工業(yè)用丙酮作稀釋劑。選取其質(zhì)量配合比，環(huán)氧樹脂∶乙二胺∶鄰苯二甲酸二丁酯∶丙酮∶水泥∶河砂=1∶0.15∶0.1∶0.1∶2∶5。

1.1.2 砂漿的混合攪拌

將粒徑為0.2～5.0 mm或過5 mm篩的砂子放入105℃的烘箱中烘干，按比例稱取適量的P.O 42.5R水泥和烘干后的砂，混合并攪拌均勻。稱取適量的環(huán)氧樹脂，將其加熱至60℃后，二丁脂和丙酮按比例加入后拌勻，最后加入適量乙二胺，攪拌均勻后形成環(huán)氧樹脂基液。將水泥、砂的混合料倒入環(huán)氧樹脂基液中，用攪拌機攪拌均勻得到環(huán)氧樹脂砂漿。

每次配制數(shù)量應(yīng)根據(jù)拉伸試件數(shù)量來確定，以保證環(huán)氧樹脂砂漿充分固化，做到隨配制隨使用，使用時間＜20 min。經(jīng)反復(fù)試驗，按照以上配方和工藝制成的環(huán)氧樹脂砂漿，24 h后其抗壓強度和粘結(jié)強度可達(dá)到試驗要求。

1.1.3 試件的制作

試件的總長度包括試件的夾持端長度與桿體中間的有效長度，由于纖維增強桿件存在尺寸效應(yīng)，試件的長度與最大拉伸強度的關(guān)系尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識，杜欽慶[2]建議普通拉伸試件中間有效長度為30～40倍的桿件直徑，美國規(guī)范ACI 440.3R—04中拉伸試件的要求是:(1)桿件的樣本長度包括中間有效長度和兩端錨固長度；(2)測試區(qū)長度要求＞100 mm或者40倍的桿件的名義直徑或厚度；(3)兩端錨固長度要能保證桿件在試驗中不能從錨固端部滑出或在錨固區(qū)破壞[16]。

參照上述研究，試驗截取纖維增強復(fù)合桿件長為1000 mm，再截取 2段長為 300 mm、壁厚為3.5 mm、直徑比復(fù)合桿的直徑(或?qū)挾?大 10～20 mm的鋼管，用以上配制的環(huán)氧樹脂砂漿混合料將桿件夾持部分同時澆筑在鋼管內(nèi)，調(diào)整桿件使其位于2個鋼套管的中心軸線上，并適當(dāng)?shù)卣駝硬鍝v，使得鋼套管內(nèi)的環(huán)氧樹脂砂漿充填密實，制成一個拉伸試件。桿件中間部分為初始標(biāo)距，待環(huán)氧樹脂砂漿固化后，將試件放入40℃的鼓風(fēng)干燥箱中養(yǎng)護(hù)試件24 h，使環(huán)氧樹脂砂漿能夠充分固化，達(dá)到實驗所需的抗壓強度和粘結(jié)強度，使得鋼管、砂漿及桿件三者之間不會產(chǎn)生相對位移，從而達(dá)到錨固的作用。鋼管的另一作用就是使試件承受均勻的剪力，不會產(chǎn)生應(yīng)力集中，減少端頭效應(yīng)。試件形狀如圖1所示，夾持端長度Lo、緩沖段長度Ls、試驗標(biāo)距Le、試件總長度 L 分別為 300、150、100、1000 mm；h 為桿件厚度，mm；b為桿件寬度，mm。

圖1 拉伸試件形狀圖

1.2 試驗設(shè)備

試驗采用美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司生產(chǎn)的 CMT5305微機控制電子萬能試驗機，精度0.5級，量程為0～300 kN，對試件進(jìn)行連續(xù)加載，采用靜態(tài)應(yīng)變采集儀采集試驗過程中的應(yīng)變值，可得到試驗荷載—位移曲線以及應(yīng)力—應(yīng)變曲線。試驗機上、下夾具采用相同的夾具，夾具內(nèi)側(cè)中間為直角三角槽，直角三角槽的直角邊略小于鋼套管的外徑，槽口面上設(shè)有橫向肋紋。夾具的夾持力隨著試驗機拉力的增加而自動增加。采用鋼鐵研究總院鋼研那克檢測技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號為YYU-25/100的電子引伸計，標(biāo)距為100 mm，精度為0.5級。

1.3 試驗方法

1.3.1 纖維增強復(fù)合桿初始橫截面積的測定

纖維增強復(fù)合桿桿件的最大拉伸強度fmax由式(1)表示為

式中:fmax為桿件最大拉伸強度，MPa；Fmax為最大拉伸荷載，N；A為桿件初始橫截面積，mm2。

由式(1)可知，桿件的初始橫截面積A測定的準(zhǔn)確性是拉伸強度測定準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。為了增加纖維增強復(fù)合桿與預(yù)制裝配式墻體構(gòu)件的粘結(jié)強度，往往對實際工程用纖維增強復(fù)合桿件的外表面進(jìn)行二次加工，如在表面形成凹凸結(jié)構(gòu)或螺紋結(jié)構(gòu)，以增大與墻體的接觸面積。桿件的橫截面大多數(shù)為不規(guī)則形狀，試件的初始橫截面積不能由公式計算得出，因此試驗參照J(rèn)G/T 406—2013的排水法測定桿件的初始橫截面積[12]。

每組樣品分別截取3段長度約為50 mm的纖維增強復(fù)合桿件，兩端垂直切平，制作成3個試件，用游標(biāo)卡尺測量每個試件長度3次，每次旋轉(zhuǎn)120°，取其算術(shù)平均值，即為該試件的長度L。向3個量筒中分別注入適量(23±2)℃的蒸餾水，記錄量筒內(nèi)水的刻度V0，將3個試件分別浸沒入量筒內(nèi)的蒸餾水中，水面要比試件高出10 mm，再次記錄量筒內(nèi)蒸餾水的刻度V1，計算該試件的體積，即試件浸入前后的體積差ΔV。則試件的初始橫截面積A可按式(1)計算，取3個試件的平均值即為該組樣品(桿件)的初始橫截面積，由式(2)表示為

式中:ΔV為桿件的體積，即試件浸入量筒前后的體積差，mL；V0為在桿件浸入量筒前的蒸餾水水體積，mL；V1為桿件浸入量筒后的蒸餾水體積，mL；L為桿件長度，mm。

1.3.2 拉伸強度和拉伸彈性模量的測定

纖維增強復(fù)合桿是呈各向異性的脆性材料，試件安裝要保證良好的對中性，避免不正確的試樣安裝影響測試結(jié)果。將夾具安裝在微機控制電子萬能試驗機上，先安裝下夾具，后安裝上夾具，啟動萬能試驗機，使得上下夾具的中間槽口在一條垂直直線上，保證試件能豎直放置于兩端夾具之間，調(diào)節(jié)萬能試驗機，預(yù)緊兩端的夾具，使得夾具的橫螺紋與鋼套管緊密接觸。

輕輕拿住引伸計的安裝盒，使試樣與刃口的中部接觸；引伸計掛鉤通過使用橡皮筋繞置引伸計至纖維增強桿試樣的中間標(biāo)距部位，兩刃口的中心線要與試樣軸線平行且對中，引伸計裝夾角度與試驗機機身平面呈45°。引伸計監(jiān)測應(yīng)變量至少應(yīng)達(dá)到加載時刻:纖維增強桿拉伸強度標(biāo)準(zhǔn)值60%。預(yù)緊兩端的夾具，保證加載過程穩(wěn)定。

參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》[17]設(shè)置拉伸試驗方案:先設(shè)置拉伸速度為2 mm/min，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的60%時作為引伸計的切換點，程序有窗口提示，試驗進(jìn)入力保持狀態(tài)，快速卸掉引伸計，然后關(guān)掉提示窗口，拉伸速度切換為10 mm/min，連續(xù)加載直至試樣破壞，記錄試樣破壞時的最大載荷值，利用CMT 5305微機控制電子萬能試驗機軟件采集試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。一個檢測試件可以同時檢測拉伸彈性模量和最大拉伸強度，滿足 GB/T 1447—2005[5]等標(biāo)準(zhǔn)對拉伸彈性模量和最大拉伸強度的不同速度要求。

桿件的拉伸彈性模量Et由式(3)表示為

式中:Et為拉伸彈性模量，GPa；ΔP為載荷—位移曲線或應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖上初始直線段載荷的增量，kN；Δε為與ΔP對應(yīng)的應(yīng)變增量。

2 試驗結(jié)果與分析

試驗時，按照上述試件制作方法，采用3組不同生產(chǎn)企業(yè)的纖維增強復(fù)合桿件分別制作了3組試件，編號為第Ⅰ組、第Ⅱ組、第Ⅲ組。試件的荷載—位移曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線分別如圖2(a)、(b)所示，其中第Ⅰ組和第Ⅲ組的荷載—位移曲線和應(yīng)力—應(yīng)變曲線均大致呈直線狀態(tài)，沒有明顯的屈服點，第Ⅱ組在點a之前呈直線狀態(tài)，合成樹脂發(fā)生屈服，從a點至b點呈輕微的波浪線，整個試驗過程基本都是彈性變形。

圖2 試件的荷載—位移及應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

試件在加載過程中，當(dāng)加載到一定值(如a點)之前，加載速度為2 mm/min，出現(xiàn)時斷時續(xù)細(xì)碎的噼噼啪啪的響聲；過了a點之后，加載速度增加為10 mm/min，響聲連續(xù)不斷，聲音越來越大，纖維逐根斷裂；當(dāng)加載值接近極限荷載時，試件突然破壞，破壞位置處膠層均碎裂，試件標(biāo)距范圍內(nèi)均出現(xiàn)了纖維束間分離撕裂的有效破壞形式。試件典型破壞形式如圖3所示。這是因為纖維增強桿件中的高性能纖維作為桿件強度的主要提供者，具有很高的抗拉強度，主要起承受載荷的作用；合成樹脂作為基體材料，其物理性質(zhì)可以影響纖維增強桿件的物理性質(zhì)，具有粘結(jié)、傳遞剪力的作用。桿件受荷載初期，纖維和合成樹脂同時承受拉力，加載到一定值(如a點)之后，樹脂進(jìn)入塑性強化階段，這時，外加荷載增量主要由玻璃纖維束承擔(dān)，從a點開始一直到極限狀態(tài)b點，由于纖維受工藝限制，即使同一批生產(chǎn)的纖維其抗拉強度值也是不同的，導(dǎo)致纖維復(fù)合材料受拉力作用時，其內(nèi)部的纖維是逐根斷裂的。另外，不同廠家生產(chǎn)的桿件的合成樹脂含量可能不同，樹脂對纖維的浸潤能力不同，因此，荷載—位移或應(yīng)力—應(yīng)變曲線后期有可能呈微小的波浪形上升(如圖2中的第Ⅱ組試件的荷載—位移或應(yīng)力—應(yīng)變曲線所示)，纖維在不斷地發(fā)生破壞而退出工作，所釋放的荷載由剩余纖維承擔(dān)，當(dāng)加載值接近極限荷載(如b點)時，纖維全部斷裂，試件破壞表現(xiàn)脆性破壞。

圖3 試件的典型破壞形式圖

試件的拉伸試驗結(jié)果及試件破壞形式見表1，第Ⅱ組拉伸強度和彈性模量最小，平均值分別為772.0 MPa、44.9 GPa，而第Ⅲ組最大，平均值分別為1114.9 MPa、49.2 GPa；試件破壞形式均為標(biāo)距內(nèi)膠層碎裂，纖維束間分離撕裂，夾持部分無滑移和拉脫，全部是有效破壞形態(tài)，均未出現(xiàn)桿件從夾具中滑脫及產(chǎn)生端頭效應(yīng)等無效破壞形態(tài)，試驗成功率為100%；試件的拉伸強度最大相對誤差為-2.5%，拉伸彈性模量最大相對誤差為-2.2%，均＜±20%；從變異系數(shù)看，試件的變異系數(shù)均＜0.1，數(shù)據(jù)的離散性均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

表1 拉伸試驗結(jié)果和試件破壞形式表

3 結(jié)論

根據(jù)上述研究得出以下結(jié)論:

(1)采用鋼套管和環(huán)氧樹脂砂漿對桿件的夾具夾持端進(jìn)行灌漿錨固制作拉伸試件，利用環(huán)氧樹脂砂漿本身的高抗壓強度以及和纖維增強復(fù)合桿件及鋼套管內(nèi)壁的高粘結(jié)強度，使得鋼管、砂漿及桿件三者之間不會產(chǎn)生相對位移，內(nèi)側(cè)中間設(shè)有橫向肋紋的直角三角槽夾具使桿件承受均勻的剪力，3組試驗15個試件均在標(biāo)距部分被拉伸斷裂，均未出現(xiàn)滑移拉脫及產(chǎn)生端頭效應(yīng)等無效破壞形態(tài)，試驗成功率100%。

(2)采用排水法測定桿件的初始橫截面積，設(shè)置拉伸速度自動提示切換的試驗方案，不改變桿件的形狀和尺寸，減少了拉伸性能受尺寸效應(yīng)的影響，3組試驗15個試件，拉伸強度最大相對誤差為-2.5%，拉伸彈性模量最大相對誤差為-2.2%，均＜±20%，3組試驗試件的變異系數(shù)均＜0.1，數(shù)據(jù)的離散性小。